Рьтпп UU. I р с м uij pidi с

Классификация Дункана

Классификация Фенга

Классификация Хокни

Классификация Флинна

Классификация вычислительных систем.

Попытки систематизировать все множество архитектур начались после опубликования М.Флинном первого варианта классификации вычислительных систем в конце 60-х годов и непрерывно продолжаются по се день. Основной вопрос - что заложить в основу классификации, может решаться по-разному, в зависимости от того, для кого данная классификация создается и на решение како задачи направлена. Часто используемое деление компьютеров на персональные ЭВМ, рабочие станции, мини-ЭВМ, большие универсальные ЭВМ, минисупер-ЭВМ и супер-ЭВМ, позволяет примерно определить стоимость компьютера. Однако она не приближает пользователя к пониманию того, что от него потребуется для написания программы, работающий на пределе производительности параллельного компьютера. Удачная классификация могла бы помочь в выборе пользователем требуемой конфигурации вычислительной системы, а также подсказать возможные пути совершенствования компьютеров.

Само ранне и наиболее известно является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М.Флинном. Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур: SISD,MISD,SIMD,MIMD.

--------------------------------------------------------------------------

SISD (single instruction stream / single data stream) - одиночный поток команд и одиночный поток данных. К этому классу относятся, прежде всего, классические последовательные машины, или иначе, машины фон-неймановского типа, например, PDP-11 или VAX 11/780. В таких машинах есть только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. К этому классу относятся машины с конвейерной обработкой (CDC 6600 и 7600)

--------------------------------------------------------------------------

ОДИНОЧНЫЕ

SIMD (single instruction stream / multiple data stream)

поток команд и множественный поток данных. В архитектурах подобного рода сохраняется один поток команд, включающи, векторные команды. Это позволяет выполнять одну арифметическую операцию сразу над многими данными -элементами вектора. Способ выполнения векторных операци не оговаривается, поэтому обработка элементов вектора может производится либо процессорной матрицей, как в ILLIAC IV, либо с помощью конвейера, как, например, в машине CRAY-1.

-

поток команд

и

одиночный

поток

анных.

MISD (multiple instruction stream / single data stream)

множественный

Определение подразумевает наличие в архитектуре многих процессоров, обрабатывающих один и тот же поток данных. Однако ни Флинн, ни другие специалисты в области архитектуры компьютеров до сих пор не смогли представить убедительный пример реально существующей вычислительной системы, построенной на данном принципе. Ряд исследователей относят конвейерные машины к данному классу, однако это не нашло окончательного признания в научном сообществе. Данный класс пока пуст.

-

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) -множественный поток команд и множественный поток данных. Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных.

-

Предложенная схема классификации вплоть до настоящего времени является само применяемо при начально характеристике того или иного компьютера. Если говорится, что компьютер принадлежит классу SIMD или MIMD, то сразу становится понятным базовы принцип его работы, и в некоторых случаях этого бывает достаточно. Однако видны и явные недостатки. В частности, некоторые заслуживающие внимания архитектуры четко не вписываются в данную классификацию. Друго недостаток - это чрезмерная заполненность класса MIMD. Необходимо средство, более избирательно систематизирующее архитектуры, которые по Флинну попадают в один класс, но совершенно различны по числу процессоров, природе и топологии связи между ними, по способу организации памяти и, конечно же, по технологии программирования.

Хокни, пытаясь систематизировать архитектуры внутри этого класса, получил иерархическую структуру, представленную на рисунке 4.1.

Рис.4.1. Классификация Хокни

Основная идея классификации состоит в следующем. Множественны поток команд может быть обработан двумя способами: либо одним конвеерным устройством обработки, работающем в режиме разделения времени для отдельных потоков, либо кажды поток обрабатывается своим собственным устройством. Первая возможность используется в MIMD компьютерах, которые автор называет конвейерными (например, процессорные модули в Denelcor HEP). Архитектуры, использующие вторую возможность, в свою очередь опять делятся на два класса:

• MIMD компьютеры, в которых возможна прямая связь каждого процессора с каждым, реализуемая с помощью переключателя;

• MIMD компьютеры, в которых прямая связь каждого процессора возможна только с ближайшими соседями по сети, а взаимодействие удаленных процессоров поддерживается специальной системой маршрутизации через процессоры-посредники.

Далее, среди MIMD машин с переключателем Хокни выделяет те, в которых вся память распределена среди процессоров как их локальная память (например, PASM, PRINGLE). В этом случае общение самих процессоров реализуется с помощью очень сложного переключателя, составляющего значительную часть компьютера. Такие машины носят название MIMD машин с распределенно памятью. Если память это разделяемый ресурс, доступны всем процессорам через переключатель, то такие MIMD являются системами с обще памятью (CRAY X-МР, BBN Butterfly). В соответствии с типом переключателе можно проводить классификацию и далее: простой переключатель, многокаскадны переключатель, общая шина.

Многие современные вычислительные системы имеют как общую разделяемую память, так и распределенную локальную. Такие системы автор рассматривает как гибридные MIMD с переключателем.

При рассмотрении MIMD машин с сетево структуро считается, что все они имеют распределенную память, а дальнейшая классификация проводится в соответствии с топологией сети: звездообразная сеть (ICAP), регулярные решетки разно размерности (Intel Paragon, CRAY T3D), гиперкубы (NCube, Intel iPCS),

сети с иерархическо структуро, тако, как деревья, пирамиды, кластеры (Cm, CEDAR) и, наконец, сети, изменяющие свою конфигурацию.

В 1972 году Т.Фенг предложил: идея классификации вычислительных систем на основе двух простых характеристик. Первая - число бит п в машинном слове, обрабатываемых параллельно при выполнении машинных инструкци. Вторая характеристика равна числу слов щ, обрабатываемых одновременно данно вычислительно системо. Вторую характеристику обычно называют ширино битового слоя.

Если рассмотреть предельные верхние значения данных характеристик, то каждую вычислительную систему С можно описать паро чисел (n,m) и представить точкой на плоскости в системе координат длина слова - ширина битового слоя. Площадь прямоугольника со сторонами пит определяет интегральную характеристику потенциала параллельности Р архитектуры и носит название максимальной степени параллелизма вычислительно системы: P(C)=mn.

На основе введенных поняти все вычислительные системы в зависимости от способа обработки информации, заложенного в их архитектуру, можно разделить на четыре класса.

• Разрядно-последовательные пословно-последовательные (n=m=l). В каждый момент времени такие компьютеры обрабатывают только один двоичный разряд. Представителем данного класса служит давняя система MINIMA с естественным описанием (1,1).

• Разрядно-параллельные пословно-последовательные (п > 1, m = 1). Большинство классических последовательных компьютеров, так же как и многие вычислительные системы, эксплуатируемые до сих пор, принадлежит к данному классу: IBM 701 с описанием (36,1), PDP-11 (16,1), IBM 360/50 и VAX 11/780 - обе с описанием (32,1).

• Разрядно-последовательные пословно-параллельные (п = 1, m > 1). Как правило вычислительные системы данного класса состоят из большого числа одноразрядных процессорных элементов, каждый из которых может независимо от остальных обрабатывать свои данные. Типичными примерами служат STARAN (1, 256) и МРР (1,16384) фирмы Goodyear Aerospace, прототип известной системы ILLIAC IV компьютер SOLOMON (1, 1024) и ICL DAP (1, 4096).

• Разрядно-параллельные пословно-параллельные (п > 1, m > 1). Большая часть существующих параллельных вычислительных систем, обрабатывая одновременно mn двоичных разрядов, принадлежит именно к этому классу: ILLIAC IV (64, 64), Tl ASC (64, 32), C.mmp (16, 16), CDC 6600 (60, 10), BBN Butterfly GP1000 (32, 256).

Недостатки предложенно классификации достаточно очевидны и связаны со способом вычисления ширины битового слоя т. По существу Фенг не делает никакого различия между процессорными матрицами, векторно-конвеерными и многопроцессорными системами. Не делается акцент на том, за счет чего компьютер может одновременно обрабатывать более одного слова:

множественности функциональных устроств, их конвейерности или же какого-то числа независимых процессоров.

Достоинством является введение единой числовой метрики для всех типов компьютеров, которая вместе с описанием потенциала вычислительных возможносте конкретной архитектуры позволяет сравнить любые два компьютера между собо.

Р.Дункан излагает сво взгляд на проблему классификации архитектур параллельных вычислительных систем, причем сразу определяет тот набор требовани, на которы, с его точки зрения, может опираться искомая классификация:

> Из класса параллельных машин должны быть исключены те, в которых
параллелизм заложен лишь на самом низком уровне, включая:

о конвейеризацию на этапе подготовки и выполнения команды (instruction pipelining), т.е. частичное перекрытие таких этапов, как дешифрация команды, вычисление адресов операндов, выборка операндов, выполнение команды и сохранение результата;

о наличие в архитектуре нескольких функциональных устройств, работающих независимо, в частности, возможность параллельного выполнения логических и арифметических операций;

о наличие отдельных процессоров ввода/вывода, работающих независимо и параллельно с основными процессорами. Если рассматривать компьютеры, использующие только параллелизм низкого уровня, наравне со всеми остальными, то, во-первых, практически все существующие системы будут классифицированны как "параллельные" (что заведомо не будет позитивным фактором для классификации), и, во-вторых, такие машины будут плохо вписываться в любую модель или концепцию, отражающую параллелизм высокого уровня.

> Классификация должна быть согласованной с классификацией Флинна, показавшей правильность выбора идеи потоков команд и данных.

> Классификация должна описывать архитектуры, которые однозначно не укладываются в систематику Флинна, но, тем не менее, относятся к параллельным архитектурам (например, векторно-конвейерные).

Учитывая вышеизложенные требования, Дункан дает неформальное определение параллельно архитектуры, причем именно не формальность дала ему возможность включить в данны класс компьютеры, которые ранее не вписывались в систематику Флинна.

матричные с асссциативной памяъю

Синхронные

Машины, использующие идеи MIMD

В

SIMD

систолические

и раиириделбнний иамн 1ьш

с общей памятью

- MIMD/SIMD

- catatlow

- rsduction

- wavefront

Рис. 4.2. Классификация Дункана

способ организации

это тако

Итак, параллельная архитектура

вычислительно системы, при котором допускается, чтобы множество процессоров (простых или сложных) могли работать одновременно, взаимодействуя по мере

надобности

/г с другом. Следуя этому определению, все разнообразие

параллельных архитектур Дункан систематизирует так, как показано на рисунке 4.2.

По существу систематика очень простая: процессоры системы работают либо синхронно, либо независимо друг от друга, либо в архитектуру системы заложена та или иная модификация идеи MIMD. На следующем уровне происходит детализация в рамках каждого из этих трех классов. Пояснения к не столь широко известным на сегодняшний день классам:

• Систолические архитектуры (их чаще называют систолическими массивами)
представляют собой множество процессоров, объединенных регулярным образом
(например, система WARP). Обращение к памяти может осуществляться только
через определенные процессоры на границе массива. Выборка операндов из памяти
и передача данных по массиву осуществляется в одном и том же темпе.
Направление передачи данных между процессорами фиксировано. Каждый
процессор за интервал времени выполняет небольшую инвариантную
последовательность действий.

Гибридные MIMD/SIMD архитектуры, dataflow, reduction и wavefront вычислительные системы осуществляют параллельную обработку информации на основе асинхронного управления, как и MIMD системы. Но они выделены в отдельную группу, поскольку все имеют ряд специфических особенносте, которыми не обладают системы, традиционно относящиеся к MIMD.

• MIMD/SIMD - типично гибридная архитектура. Она предполагает, что в MIMD
системе можно выделить группу процессоров, представляющую собой подсистему,
работающую в режиме SIMP (PASM, Non-Von). Такие системы отличаются
относительной гибкостью, поскольку допускают реконфигурацию в соответствии с
особенностями решаемой прикладно задачи.

Остальные три вида архитектур используют нетрадиционные модели вычислений.

• Dataflow используют модель, в которой команда может выполнятся сразу же, как
только вычислены необходимые операнды. Таким образом, последовательность

выполнения команд определяется зависимостью по данным, которая может быть выражена, например, в форме графа.

• Модель вычислений, применяемая в reduction машинах иная и состоит в следующем: команда становится доступной для выполнения тогда и только тогда, когда результат ее работы требуется другой,; доступно для выполнения, команде в качестве операнда.

• Wavefront array архитектура объединяет в себе идею систолическо обработки данных и модель вычислений, используемо в dataflow. В данной архитектуре процессоры объединяются в модули и фиксируются связи, по которым процессоры могут взаимодействовать друг с другом. Однако, в противоположность ритмично работе систолических массивов, данная архитектура использует асинхронный механизм связи с подтверждением (handshaking), из-за чего "фронт волны" вычислений может менять свою форму по мере прохождения по всему множеству процессоров.

Дата добавления: 2014-01-06